《数字心率计设计报告.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字心率计设计报告.pdf（29页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 1 / 29 西南交通大学 2015 年短学期 电子课程设计报告电子课程设计报告 课 题： 数字心率计 指导老师： 张辉波 宋作华 计算机 2013-4 班 20132070 段雯誉 计算机 2013-4 班 20132065 2015 年 8 月 2 / 29 摘要摘要 正常成年人安静时的心率有显著的个体差异，但在安静状态下健 康成人平均心率在 75 次/分左右(60100 次/分之间)。国人男性静 息心率的正常范围为 5095 次/分，女性为 5595 次/分。在一般情 况下人的心率大于 120 次/分为心率过快，小于 50 次/分则为心率过 慢。 本课题就是通过红外传感器将人的手指中微
2、弱的脉搏信号转化为 电信号输入到模拟电路中。模拟电路对电信号做放大、滤波和整形处 理，转换为可被芯片识别的矩形波信号。通过 Verilog HDL 编程语言 实首先现对 EP2C8T144 自身晶振的分频处理， 利用分频后得到的信号 对矩形波信号进行检测得到脉搏数，将脉搏数显示在数码管上，显示 心率过快、心率过慢或是正常，计算平均心率，对心律不齐有报警功 能。 关键字：关键字： 数字心率计、 模拟电路、 Verilog HDL、 数码管、 报警功能、 EP2C8T144、 Altium Designer 3 / 29 1 1、方案设计、方案设计 i. 方案论证与设计方案论证与设计 （1 1）模
3、拟部分：模拟部分： 红外传感器获得电信号红外传感器获得电信号 根据指尖上的血液随每次心跳出现密度、快慢等周期性变化的原理，将手指 剪放在 ST188 的传感器上，传感器上的感光三极管将会接收强弱不同的电流， 并输出强弱不同的电压信号。人的心跳范围在几十到上百之间变化，则电路接收 到的有效电信号是一个低频的弱信号，并且里面夹杂这其他的干扰信号。模拟电 路在接受这些信号后，需要对信号做放大、滤波、整形处理。这样处理过后的信 号才是低频有效的较强信号，并且能被数字电路中的 EP2C8T144 芯片所接收。 放大放大 放大电路的总重要的作用是将 ST188 输出的微弱的电压信号放大到 74HC14 工
4、作时所需的电压范围。据资料显示，ST188 采集到的人体的心率信号 所能转化的电流大概在 0.05mV-5mV 左右，74HC14 所需的输入电压一般要超过 3V，那么我们放大电路的倍数至少也要超过 60000 倍以上 ，根据我们所有的元 件，用一个放大电路来实现这样的放大倍数是不现实的，那么我们就一定会需要 两个放大电路串联来实现，而且我们可以确定每个子电路的放大倍数都约为 300， ；两级的放大电路都将 R1 设为 680K、R2 设为 2.7K；如果灵敏度不够，可 将 R2 设为 1k。 滤波滤波 正常成年人心率的波动范围为 50-120 次/分钟，那么通过计算就能得到我们 的心率信号的
5、频率范围大概就为 0.8-2Hz，而干扰最强的就是 50Hz 的工频信号 了，那么我们就需要设置一个带通约为 0.8-2Hz 的滤波电路。高通滤波电路用 10uF 和 68K 的组合，和滤掉 0.23Hz 以下的低频信号；高通滤波电路的组合选用 4 / 29 0.1uF 和 680K，能滤掉 2.3Hz 以上的信号。其次我们选择一阶滤波电路与放大合 并在一个电路中，是一级放大电路即放大有滤波。我们所设计的模电电路应该是 由两个相同的，且同时具有带通滤波和放大功能的子电路串联而成的。 整形整形 我们使用 74HC14 芯片来对信号进行整形， 74HC14 芯片相较于迟滞比较电 路来说，它的优点是
6、不需要复杂的计算，也不用推测确定电路的门限阀值。只需 要将 74HC14 芯片这个子电路接在放大滤波电路后， 来帮助我们确定放大倍数即 可。 74HC14 芯片输出为幅值为 5V 左右的方波信号，芯片 EP2C8T144 的输入电 压不能超过 5，所以送入数字电路部分的信号需要进行降压处理。用两电阻串 联分压以及加一个降压二极管这两种方法，将信号降到 4V 左右，就可以输入到 芯片中了。 （2 2）数字部分：）数字部分： 分频分频 将芯片内固有的50MHz频率进行分频， 得到1kHz的频率作为clk计数频率， 过高则需要大量计算，浪费时间，过低则误差较大，不够精确。 计数计数 对模拟电路整形后
7、的方波信号进行周期测量，首先进行计数，然后将该数据 转换为心率。 计算计算 假设 clk 频率为 f，所计数值为 N，则一次脉搏所持续的时间 T=N/f 瞬时心率值=60/T=60f/N。每 16 组进行求平均数运算，作为平均心率输出。因 为电路进行二进制移位计算，16 方便移位并且大小合适。 诊断诊断 对实时心率进行比较，低于 50 为过低，高于 120 为过高，两者之间为正常。 5 / 29 每相邻两组心率进行求差运算，差值达到 10，并且此现象出现 5 次，则诊断为 心率不齐。 报警报警 对诊断结果进行报警， 包括快、 慢和正常， 三者不相容， 心率不齐单独报警， 两者互不影响。 处理处
8、理 要显示的心率信息进行处理，将三位数拆分送入译码。并能处理显示瞬时心 率还是平均心率。 译码译码 将处理后心率信息分别进行八段数码管译码，送入显示。 显示显示 能将心率数据和诊断信息进行实施动态显示，数码管为四位。 ii. 系统原理框图系统原理框图 （1 1）工作原理介绍）工作原理介绍 经传感器接受的脉搏信号所发出的电信号比较弱，大约在 0.05mV-5mV 左 右，首先经过同向比例放大电路放 60000 多倍，得到 3V 左右的信号.。由于脉搏 电压信号受到 50 赫兹的工频干扰，信号需经过带通约为 0.8-2Hz、放大倍数约 为 300 倍左右的两级滤波放大电路串联形成。将滤波放大后所得
9、到的信号送入 74HC14 的进行处理，并进行降压（高压会烧毁芯片） ，就得到我们所需要的与 脉搏周期一致的方波信号。 板子自带 50MHz 的时钟信号，可以通过编译一个分频的 Verilog HDL 语言模 块将其中 P17 引脚引出的 50MHz 的频率分频得到 1kHz 的基准信号，每当脉搏 信号来一个上升沿（或下降沿）开始计基准波的个数，再来一个上升沿（或下降 沿）是，计数输出并清零，如此循环。将得到的计数进行公式计算，转换为心率 6 / 29 值。得到心率值后，进行诊断报警等工作，瞬时心率低于 50 或高于 120 都为不 正常，有相应的报警，相邻心率之差达到 10，并且该现象出现
10、5 次判定为心率 不齐，立即报警。得到的心率数据同时经过处理译码后，通过数码管两位半显示 瞬时心率或者平均心率。 （2 2）系统流程：）系统流程： 模拟部分模拟部分 数字部分数字部分 iii. 主要电路设计与参数计算主要电路设计与参数计算 （1 1）模拟电路的参数计算）模拟电路的参数计算 结合方案设计中一系列的设想和组合设置，那么我们可以容易的得出以下结论： 分频器 计算器 译码器 计数器 处理器 报警器 诊断器 显示器 传感器 一级放大滤波 二级放大滤波 74HC14芯片 降压电路 EP2C8T144 芯片 7 / 29 放大电路放大电路 放大电路采用的是同向比例放大电路，结合后面滤波电路的
11、要求，我们所选 取的放大电路的参数组合为：680K 和 2.7K 257 7 . 2 7 . 2680 R RR A 8 86 vf 滤波电路滤波电路 因为放大部分的电阻所选取的是 680K，那么，一阶低通滤波电路所选取的 参数组合就为：680K 和 0.1uf Hz3 . 2 101 . 0106802 1 CR2 1 f 63 36 H 一阶高通电路所选取的参数组合就为：68K 和 10uf Hz23. 0 101010682 1 CR2 1 f 63 19 L 整形电路整形电路 使用 74HC14 芯片无需计算参数 分压电路分压电路 因为输出的电压约为 5V，而输入 EP2C8T144
12、芯片的电压不能超过 5V,先串 联 1K 电阻分压，在将管压降 0.7V 的二极管接在输出端，再接到 EP2C8T144 芯 片的输入引脚端口，电压在 3.3V 左右，符合要求。 放大、滤波、整形电路图 8 / 29 输入信号截图： 一级放大电路截图： （红线：输入电压；黄线：输出电压） 9 / 29 二级级放大电路截图： （红线：输入电压；黄线：输出电压） 滤波放大电路的波特图 10 / 29 整形电路的截图 （2 2）数字电路的主要代码数字电路的主要代码 分频器分频器 分频器的功能为将EP2C8T144由P17引脚自发产生出的标准50MHz的时钟 信号，分频为 1kHz 的时钟脉冲信号，故
13、我们要将 50MHz 的时钟信号频率缩小 50000 倍，由于直接缩小 50000 倍需要的 count 寄存器位数较大，故此处设置为 先缩小 500 倍，再缩小 100 倍，两级分频。 module divider_1(clk,clk_odd); input clk; output clk_odd; reg clk_odd; reg6:0 count; parameter N = 100; always (posedge clk) if ( count 8d160)begin high=1;low=0;normal=0; end else if(instantrate_0) sub8d10)
14、 num=num+3d1; if(num3d4) arrhythmia=1; end else begin arrhythmia=0; num=0; end endmodule 报警器报警器 报警器的工作为将诊断器的诊断结果转换为报警信息，心率过慢、过快和正 常分别对应黄色、红色和绿色发光二极管，并且四位数码管的第四位会有相应的 L、H 和 N 的现实，心率不齐为蜂鸣器报警。发光二极管为合并报警，三者只能 有一个报警，蜂鸣器为单独报警，不影响也不被发光二极管影响。心率不齐一旦 报警不会取消，故设置了 reset 键，当 reset 输入，发光二极管全灭，蜂鸣器关闭， 四位数码管显示 H-C-。
15、 module 15 / 29 alertor(high,low,normal,arrhythmia,reset,display,high_out,low_out,normal_out,arrhyt hmia_out); input high,low,normal,arrhythmia; input reset; output reg high_out,low_out,normal_out; output reg arrhythmia_out; output reg1:0display; always (high,low,normal,arrhythmia,reset) if(reset=0)
16、 begin if(high)begin high_out=1;low_out=0;normal_out=0;display=2d3; end else if(low)begin high_out=0;low_out=1;normal_out=0;display=2d1; end else if(normal) begin high_out=0;low_out=0;normal_out=1;display=2d2; end if(arrhythmia) arrhythmia_out=1; end else begin high_out=0;low_out=0;normal_out=0;arrhythmia_out=0; end endmodule 处理器处理器 处理器的功能为将心
